碳与氧反应的具体解释和应用.doc

吹风反应的具体解释和应用陈松涛 在间歇式固定层造气炉中，吹风放热是制气反应的动力，吹风提温引领制气反应的进行，但是吹风提温又受到原料灰熔点和吹风放热的有效利用的制约，较高的火层温度可提高蒸汽分解率和有效气体成分。但是火层温度过高超过灰熔点，灰渣就会结疤、结块影响炉况的运行。在风机风压、料层厚度一定时，又会使吹风显热、潜热损失较大，使原料的有效利用率降低。在当今原料煤的高价每吨煤价格高达1400元，对企业的压力很大，特别是现在各行业在国际金融危机的影响下都很萧条，我国许多煤化工企业也已停产，原料实在浪费不起,原料煤的消耗直接影响到企业的生存。稳定炉况，提高原料的有效利用率，降耗增效是企业的最终追求目标。在造气炉热效率只有64，碳的有效利用率仅有73的情况下，怎样去挖潜利用原料的热效率是每个造气工作者的责任和义务，本文就吹风反应过程的具体程序谈一下个人观点。一、吹风时碳与氧气反应的过程何谓燃烧？燃烧就是可燃物质与助燃物质在一定条件下发生强烈的发光、发热过程。其特点有一下三点：a.反应迅速；b.发光并伴随放热；c.不可逆。燃烧速度的快慢受可燃物质或助燃物质的量来决定，在碳与空气中的氧发生燃烧反应时，反应速度受空气扩散量的控制，一般在氧气充足时,生成CO2，在氧气不充足时生成CO。在温度低于500时主要生成CO2，在温度高于1000几乎全部生成CO。那么，碳与空气中的氧气反应具体是怎样的过程呢？历来众说纷纭，但总结起来有三种情况：1.先生成CO2a.先由碳与空气中氧气生成CO2CO2CO2408840kjkmolb.然后由CO2再和碳反应生成CO。CO2CCO162045 kjkmol2.先生成CO。a先由碳和空气中的氧反应生成CO。2CO22CO246434 kjkmol.b.然后CO。进一步与空气中的氧反应生成CO2COO2CO2571246 kjkmolc.再由CO2与原料中大碳反应生成COCO2C2 CO162045 kjkmol3.先生成碳氧复合物a.先由碳和空气中的氧生成碳氧复合物xCy2O2CxOyb.然后再由碳氧复合物分解成CO和CO2CxOymCO2n CO其中1、2的最终产物都是CO，不过在氧化时1是一次氧化生成CO2放出大量的热，然后CO2再还原成CO并吸收一部分热量，这就是目前人们常说的造气炉在吹风气化时最常用的先氧化后还原的理论基础，也是炉膛原料划分层次时确定氧化层、还原层的根本依据；2.是第一步空气中先由部分O2与碳反应氧化生成CO并放出一次氧化成CO2约13的热量，然后CO再与O2进一步氧化反应生成CO2,并放出一次氧化成CO2约23的热量,这个理论能很好的解释日常生活中的一些现象.如在中学时期,在化学课上做木碳的燃烧实验时,结果是这样的:在氧气充足时,生成CO2;在氧气不充足时生成CO.则说明碳与氧气是按上述理论进行的.又如碳与氧气在燃烧温度低于500时,主要生成CO2,说明燃烧量少,空气比较充足;在燃烧温度高于1000时碳的活性很强,由于空气中的氧气只占空气的20,不能充分供应,没有多余的氧气再与CO进行反应,形成氧的不完全反应从而反应结果只能是CO较多. 3.氧气与碳反应先生成碳氧复合物,应该说CO2分子比CO分子活跃的多首先逸出放出大量的热，依据热力学平衡原理,生成CO2多的位置反应放出的热量多料层温度就高;生成CO多的位置反应放出的热量就少料层温度就低,也就是说在高温区生成CO2多,在低温区生成CO多.这三个反应从不同的角度分析碳与氧气的反应过程，相互独立，互不矛盾，并且可以相互补充。第一情况是从化学反应的性质来说明的，是氧化反应还是还原反应；第二种情况是从气固反应，决定化学反应速度的气体流量来说明的；第三种情况是从CO2和CO的活跃性来说明的。二燃烧理论在吹风阶段的应用众所周知，间歇式固定层造气炉，炉内料层从上到下被人为分为干燥层、干馏层、还原层、氧化层、灰渣层，层次的划分是依据不同料层的特性来命名的，相邻层次的间隔是以温度来分隔的，不同的层次在一定的温度段进行着不同的物理化学变化,从而使原料煤从上到下经过各层次时,含碳量依次减少,直至到灰渣层消耗完毕,而灰分含量却相对递增直到灰渣层时为全灰分形成的渣.由于碳是黑体完全吸热,灰分是由酸性氧化物两性氧化物碱金属或碱土金属氧化物组成混合物,导热系数很小为热的不良导体,所以料层中从上到下导热系数是依次变小的.在吹风阶段,料层中的温度最高在12001300,吹风烟气温度却可达18002000,这是因为空气中的氧气分子扩散至原料粒度表面与碳原子相互吸附并发生氧化反应生成一氧化碳,每500mol氧气放出123217千焦的热存在于料层中,其热力学反应式为:C12O2=CO123217KJKmol;一氧化碳脱离原料颗粒的吸附，在逸出时遇到原料表面过来的氧气分子又发生氧化反应生成二氧化碳，每500mol放出285623千焦的热量形成烟气，其热力学方程式为：CO12O2=CO2285623 KJKmol.在料层中空气中的氧气进入原料颗粒中与颗粒中的碳发生反应生成一氧化碳放出的热量被料层吸收形成高温的火层并向上、向下对其它层次进行传导、辐射，由于料层中各层次的导热系数是由该层次物料的含碳量和灰分含量决定的，在轴向各层次的温度梯度从上到下依次增大即灰渣层氧化层还原层干馏层干燥层，这就是灰渣层较薄却有较大温度差的原因。原料颗粒出来的CO遇到氧气分子生成CO2并形成高温气体即我们说的烟气,在向上流动的过程中经过热碳层对料层进行热的对流传热,对流传热量的多少与各层次的温度与烟气的温差、料层的导热系数。、烟气的停留时间有关,从而使料层中各层次原料颗粒吸热升温而高温烟气则降温出炉形成低温吹风气.通过计算火层形成的高温烟气的体积是低温吹风气的6倍之多，也就是说火层中的烟气流速是吹风气流速的6倍之多。在实际生产中，为了充分利用煤的反应热，提高热量利用率及料层的稳定性，在炉膛高度，原料粒度、料层厚度一定的情况下，依据料层中各层次轴向温度梯度的幅度变化使烟气传热降温体积缩小，减小流速，减少带出物，应尽量减薄渣层厚度提高热碳层的厚度，以最大限度的把碳与氧的反应热蓄在料层中同时也降低了出炉烟气的流速，减少了吹风带出物；另一方面由于火层中的烟气流速是吹风空气流速的六七倍，在渣层成渣粒度不均匀或局部结大块时，由于空气的偏流，会使空气集中处的烟气流速急剧增大，这就是炉况不稳，吹平、吹凹、吹翻的根本原因，因此我们应选择布风均匀破渣能力强的炉箅并在操作中注意控制炉况的稳定运行。三燃烧理论在灰分结渣性上的应用原料的灰熔点是指灰分在达到熔融状态下的温度，原料的结渣性是指原料煤在气化时是否容易结成渣块的性质，两者既有联系又有区别，一般只有灰分成分相互粘接成块即灰分的成渣性，然后才能达到灰熔点，所以灰熔点低的原料都比较容易结渣，在造气炉操作中只允许结渣而绝不允许超过灰熔点结疤；但是，实际上有时两种煤种灰熔点相差很多而操作中结渣性又很相近呢？这主要是测灰熔点和煤的气化采取的样品不同,测灰熔点时是采用已经完全灰化的灰,在一定的外热条件下测得,灰分的溶化主要决定于灰分的成分和测定时所处的氛围;灰分的结渣性是用煤来测定的,通过煤本身的反应热来使灰渣熔融,所以它不仅决定于灰分的成分还决定于灰渣在炉内的停留时间,一般煤的结渣性可用以下经验公式计算:结渣率()=44.7+1.79A-0.03ST其中 A:煤中的灰分含量 ST:煤的软化温度(T2) 所以一种煤的结渣性的大小要看两个数据：即灰分含量和灰熔点。造气原料用煤，因其煤种不同其性质差别很大，特别是现在，由于煤的紧缺，各个厂煤种混杂，煤质不能保证，灰分含量在1035之间而灰熔点则在10001400之间，在烧灰分含量大的煤时，碳层易高、易结块且炉况不稳，偶尔还会出现吹翻现象，为什么会出现这种状况呢？这要从原料的成分及燃烧过程谈起：灰分含量高的原料煤，含碳量少密度大，气孔率小，反应活性差，在与空气发生燃烧反应时，氧气分子进入原料颗粒中较困难进入原料颗粒中的氧气分子量较少，反应速度较慢生成CO放出的热量相对较少，原料颗粒中的碳反应后，使灰分脱离碳原子之间的网架束缚使不同的灰分成分相互集结在一起；且燃烧相同的碳原子时，反应距离延长即火层增厚，形成的灰渣也较多，但是从料层颗粒逸出的CO在与氧气分子相遇发生反应放出大量的热所形成的烟温远远高于原料的灰熔点，使颗粒表面气化后集中的灰分长期在高温烟气下受热而发生一系列的化学反应使灰分胶接在一起这就是灰分的成渣性，胶结灰分再在高温烟气下受热则会达到灰熔点而形成琉璃性的死疤。因此烧灰分含量高的原料时要求：a,原料粒度不能相差太大，防止气化不均衡；b,灰渣层不能太厚，减少灰渣的停留时间，增强炉箅对胶结灰渣的蠕动性及时酥松渣块。四燃烧理论在在工艺参数设定上的应用“上下行煤气温度曲线是造气炉的两条生命线。”长期以来是操作工控制造气炉况的依据，这是因为在同一煤种火层温度与煤气炉的上下行温度在一定程度上是成正比的，由于造气炉在煤种、粒度范围、布料方式、料层厚度、上下吹蒸汽流量、阶段时间一定，炉条机转速较稳定时，料层中各层次相对稳定，也就是说各层次中的物料导热系数及料层中轴向温度梯度的幅度是恒定的，上下行温度随火层温度的变化而变化。依据燃烧理论(2)原料在料层中燃烧时只要有一分子氧气与碳发生反应生成CO蓄热在料层中,也就有一分子的CO与碳反应生成CO2并形成高温烟气二者在氧化时放热是一对一的关系,蓄在氧化层中的热量向上向下对其它层次进行传导、辐射传热,烟气向上流动时对料层进行对流传热各层次温度等比例上升或下降,这就是上下行温度能体现火层温度的原因,当然由于上下吹蒸汽流量、上下吹时间的改变或炉条机速度的运行不稳定,致使火层厚度拉长增厚或缩短减薄,在相同的上下行温度体现火层温度是不一样的.在改变煤种时,如更换灰分含量比较高的煤,在料层高度一定时,料层各层次的导热系数相应减小,轴向温度梯度也相应增大,在吹风时,由于煤的灰分含量增大密实性增强阻碍了氧气与碳的接触,在吹风流速一定时,延长了反应距离,从而使火层拉长增厚,温度也降低,由于导热系数的减小,火层向上传导辐射的热量减少使料层轴向的温度梯度加大,使料层顶部表面温度降低,而生成的高温烟气向上逸出时,对料层的对流传热量也变小从而使出炉烟温升高,使料层的蓄热量降低;相反,在原料灰分含量减少时,则会出现火层集中温度升高,料层顶部表面温度升高,出炉烟温降低,料层蓄热量增大的情况.这也说明出炉烟温是流体温度,可以体现火层燃烧时的烟气温度,它只能体现火层的温度高低或火层的厚薄,料层中各层次温度是固体温度,可以体现火层传导辐射前的温度,它能体现出火层的位置. 因此为了控制造气炉长周期运行,必须控制火层的温度和位置的稳定,依据不同的煤种根据操作经验制定不同的火层温度和位置参数以期达到高负荷运行,我们必须在适当位置来设置测温度的点,来测定煤气温度和某层次的温度参数来体现出火层的温度和位置.五燃烧理论在气体成分控制上的应用以较少的原料煤,生产出优质量大的煤气是造气工段不可推卸的责任和义务,必须对造气炉工艺进行优化,减少副反应的发生,对于吹风阶段主要是防止CO的产生,因为吹风反应主要是要把热量蓄在料层中,对于上述第一种说法是从化学反应性质来说的先氧化后还原,先氧化放热然后进行还原吸热,碳与空气中的氧气在200以上即发生反应生成CO2,在800以上就达到扩散反应,而CO2的还原反应在2000以上才能达到扩散反应,造气炉火层温度一般在9001300之间波动碳的氧化属于扩散反应,其反应速度受空气量的流量控制,而CO2的还原反应属于动力学控制,反应速度受料层温度及反应时间控制，在造气炉内在空气流速一定的情况下只受还原层厚度的控制；第二说法是从微观分子运动角度以气固反应决定反应速度的空气量来进行氧化反应的分步反应过程,在空气量充足时,氧化反应完全生成CO2,然后CO2在一定的温度下进行还原反应;在空气量不足时则氧化反应不完全,则只能生成CO不会产生CO2了.第三种说法是从氧气与碳发生反应首先生成碳氧复合物，在不同的温度条件下分解CO2和CO的量不同，在较高温度下主要分解成CO2，在较低温度下主要分解成CO.为了抑制吹风阶段副反应的发生，充分有效利用反应热上述三种说法提出了三个条件a,CO2的还原层厚度要薄；b,吹风燃烧时空气流量要大；c,吹风燃烧时火层温度要高。怎么才能达到上述要求呢？光靠吹风燃烧是很难达到的，在固定的原料和料层厚度下料层中各层次的温度梯度时一定的，还原层的温度范围已确定，空气的流量增大，流速也相应增大，从上述分析可知出炉烟温必升高，火层温度要每个循环吹风都达到较高也不可能。为此我们利用间歇造气炉的特点：上下行蒸汽流量及上下吹阶段时间可以控制火层的位置和厚度，循环时间长短可控制火层温度的波动范围。在不同型号的造气炉选择适宜的循环时间后，利用上下吹阶段时间和蒸汽流量使火层温度集中变薄，在依据原料性质选择适宜的渣层厚度，在操作稳定的条件下使火层处在高温区，通过流体的高流速促进扩散反应抑制还原反应，来达到预期目标,这种工艺既抑